千米深立井建設(shè)施工技術(shù)及裝備

千米深立井建設(shè)施工技術(shù)及裝備中煤建設(shè)集團(tuán)有限公司匯報(bào)人：陸倫2013年7月25日山東泰安匯報(bào)內(nèi)容立井建設(shè)技術(shù)裝備背景概況千米深立井建設(shè)存在的問題目前千米立井建設(shè)取得的成效進(jìn)一步建設(shè)深井存在的問題1立井建設(shè)技術(shù)裝備背景概況1.1國外現(xiàn)狀上世紀(jì)50年代中期，立井混合作業(yè)施工法；上世紀(jì)60~70年代，混合作業(yè)方法+鑿井機(jī)械化配套技術(shù)，前蘇聯(lián)、波蘭、德國、捷克、日本和加拿大等目前，國外深度已超過2000m，貴重金屬礦井，一次整體施工、永久裝備，不求工期，對國內(nèi)深立井建設(shè)而言可借鑒經(jīng)驗(yàn)不多。1.2國內(nèi)現(xiàn)狀“掘砌單行作業(yè)”“掘砌平行作業(yè)”“短段掘砌作業(yè)”1974年，煤炭、冶金、一機(jī)三部會戰(zhàn)進(jìn)入21世紀(jì)，立井施工技術(shù)和裝備配套水平不斷提高。圖1立井掘進(jìn)全國平均速度2005年以來較上世紀(jì)有了較大提高，但平均月進(jìn)度維持在65~66m/月，依然較低。自2005年后，立井井筒平均掘進(jìn)速度由68.51m/月逐年降低至2008年的65.13m/月。主要原因是井筒掘進(jìn)直徑的加大導(dǎo)致單位進(jìn)尺工程量的劇增、井筒建設(shè)深度的增加則造成施工效率的降低。2千米深立井建設(shè)存在的問題

到2008年底，我國施工的立井井筒最深約1100m，主要施工工藝是短段掘砌混合作業(yè)，正規(guī)循環(huán)段高平均為3~3.6m；主要施工技術(shù)和裝備配備是我國上世紀(jì)70年代“三部會戰(zhàn)”時針對800m井深研制的大提升機(jī)配置大吊桶提升、中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)裝巖、傘鉆打眼、光面爆破、整體移動模板砌壁等。雖經(jīng)多次改造升級，勉強(qiáng)完成工程施工，但仍無法滿足現(xiàn)代立井井筒安全、高效、快速施工的需求。施工與技術(shù)水平亟待提高軟硬凍巖；大斷面、深孔鑿巖爆破：大面積、大體量；低效益裝巖清底：大段高；大水量、高水壓注漿堵水：井壁維護(hù)：大體積、大溫差；多裂縫相互影響大、受力復(fù)雜大硐室群：特殊地層：膨脹地層、破碎帶、煤層提升系統(tǒng)：懸吊系統(tǒng)：鑿井井架提升機(jī)高速吊桶掘砌系統(tǒng)：傘鉆抓巖機(jī)模板大吊盤裝備安全與能力嚴(yán)重不足存在的問題：工作面大段高預(yù)注漿大直徑厚止?jié){墊施工技術(shù)大段高造孔施工技術(shù)大段高注漿施工技術(shù)3.1施工關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)大斷面深孔鉆眼爆破硬巖、軟巖、凍結(jié)巖土大斷面、深孔爆破高效裝巖清底施工挖掘機(jī)改造與井下作業(yè)挖掘-抓巖機(jī)協(xié)同作業(yè)技術(shù)井筒穿越特殊地層施工井筒穿越膨脹地層施工技術(shù)井筒穿越破碎帶施工技術(shù)井筒穿越煤層施工技術(shù)井筒相鄰特大硐室群施工先外圍-后主體硐室群施工方案兩側(cè)傾斜上行雙導(dǎo)硐施工技術(shù)先讓后抗-先拱后墻圍巖穩(wěn)定技術(shù)3目前千米立井建設(shè)取得的成效立井硬巖爆破數(shù)值模擬

（1）大斷面深孔鉆爆關(guān)鍵技術(shù)直眼掏槽掏槽圈徑1.6m孔深5.0m孔徑55mm堵塞1.5m斜眼掏槽掏槽圈徑1.6m孔深4.9m角度7°孔徑55mm總藥量36kg自由面巖石加速拋擲歷時6~8ms軸線自由面巖石拋擲速度9.53m/s巖石最大拋擲高度4.6m底部1/3巖石沒有充分破碎自由面巖石加速拋擲歷時6~8ms軸線自由面巖石拋擲速度22.8m/s巖石最大拋擲高度26.5m炮孔底部巖石充分破碎立井硬巖爆破現(xiàn)場試驗(yàn)

（1）大斷面深孔鉆爆關(guān)鍵技術(shù)五公司施工萊新鐵礦2#副井-500m標(biāo)高以下閃長巖，f=18性能指標(biāo)傳統(tǒng)優(yōu)化效果炮孔數(shù)/個1529438%總裝藥量/kg528394.4225%炮眼利用率80.5%90%9.5%循環(huán)進(jìn)尺/m3.6>4.011%造孔縮短時間/h0>2.0節(jié)省時間形成煤炭行業(yè)（部級）工法《立井施工硬巖爆破液壓傘鉆鑿巖工法》立井軟巖、凍結(jié)巖石爆破

（1）大斷面深孔鉆爆關(guān)鍵技術(shù)軟巖：鉆孔難、成孔難凍巖：凍結(jié)管安全、炮眼利用率低多段延時爆破控制技術(shù)周邊眼耦合裝藥控制技術(shù)大藥量炮轟波控制技術(shù)專用鑿巖裝備鉆眼技術(shù)電液驅(qū)動挖掘機(jī)（2）

高效裝巖清底施工關(guān)鍵技術(shù)挖掘機(jī)改造改柴油驅(qū)動為電液驅(qū)動節(jié)能減排、改善環(huán)境形成煤炭行業(yè)（部級）工法《立井施工液壓挖掘機(jī)與抓巖機(jī)配套裝巖工法》挖掘機(jī)與抓巖機(jī)協(xié)同作業(yè)裝巖、清底：快速、徹底安全、高效：人少、機(jī)械授權(quán)國家發(fā)明和實(shí)用新型專利2項(xiàng)止?jié){墊施工技術(shù)幾何、材料、位置注漿孔造孔技術(shù)大鉆機(jī)、小鉆頭；孔口防噴

井壁保護(hù)技術(shù)加厚井壁(增強(qiáng))、泄壓孔(泄壓)預(yù)埋加長孔口管(減壓)等超大直徑深立井：空間大、水壓高，水量大（3）工作面大段高預(yù)注漿關(guān)鍵技術(shù)形成煤炭行業(yè)（部級）工法《深立井工作面預(yù)注漿施工工法》大段高止?jié){墊施工示意硐室群施工技術(shù)：“先外圍-后主體”硐室施工技術(shù)：“兩側(cè)上行傾斜雙導(dǎo)硐”圍巖穩(wěn)定技術(shù)：“先讓后抗-先拱后墻”（4）井筒相鄰特大硐室群施工關(guān)鍵技術(shù)硐室群施工順序兩側(cè)上行傾斜導(dǎo)硐施工方案形成煤炭行業(yè)（部級）工法《高地壓、軟巖礦山大型硐室施工工法》木垛接頂12312233貫通分層反刷123（5）井筒穿越特殊地層施工關(guān)鍵技術(shù)過膨脹地層過破碎帶釋壓槽泡塑板井圈過膨脹土層——可調(diào)高度砌壁模板：縮小段高——開槽、敷設(shè)泡塑板：釋放變形——井圈-背板噴射砼：臨時支護(hù)——高強(qiáng)、早強(qiáng)混凝土：強(qiáng)化支護(hù)過破碎帶——井圈-背板加噴射砼支護(hù)——柔模體系與澆筑混凝土技術(shù)提升系統(tǒng)關(guān)鍵裝備新大型鑿井井架提升機(jī)變頻集控高速大吊桶穩(wěn)控

掘砌系統(tǒng)關(guān)鍵裝備液壓、雙聯(lián)、大行程傘鉆新型液壓中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)可調(diào)大段高整體滑動模板3.2施工關(guān)鍵裝備研制懸吊系統(tǒng)關(guān)鍵裝備大直徑變徑吊盤大直徑吊盤穩(wěn)控穩(wěn)車群集群控制

安裝與安全系統(tǒng)關(guān)鍵裝備新型六層安裝吊盤內(nèi)壁施工輔助吊盤系列安全輔助裝置提升-懸吊-掘進(jìn)-砌壁-安裝（1）提升系統(tǒng)——新型大型鑿井井架新型VI鑿井井架“日”字型天輪平臺改為“目”字型天輪平臺優(yōu)化布局，改善受力（1）提升系統(tǒng)——新型大型鑿井井架新型VII鑿井井架（1）上“日”、下“目”字型

雙層天輪平臺結(jié)構(gòu)體系（2）新型“M”型支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化平臺布局，改善受力狀態(tài)增加懸吊設(shè)備數(shù)量，降低重心優(yōu)化井架整體受力，增強(qiáng)穩(wěn)定個+個型M+個型M+M型（1）提升系統(tǒng)——新型大型鑿井井架新型VII鑿井井架授權(quán)國家專利5項(xiàng)（發(fā)明3項(xiàng)、實(shí)用新型2項(xiàng)）性能指標(biāo)V型VI型VII型VI效果VII效果適用荒徑/m7.0-8.08.0-10.09.0-15.025%88%適用井深/m600-11001000-12001000-160010%45%角柱跨距/m16.016.017.5517.5521.021.010%31%天輪平臺數(shù)/層112-100%天輪平臺/m7.57.59.059.059.09.012.012.020%60%一層平臺高/m10.310.412.0-16%工作荷載/KN4148.65590.06748.035%62%斷繩荷載/KN5456.68590.011412.057%109%（1）提升系統(tǒng)——新型大型鑿井提升機(jī)

不同提升速度提升能力——卷筒：整體式、兩瓣式——制動器：油缸后置式、盤形——控制：電液聯(lián)合——離合器：徑向齒塊式調(diào)繩——聯(lián)軸器：彈性棒銷性能指標(biāo)JKZ-4/17.82JKZ-5/18效果滾筒數(shù)/個12100%滾筒直徑/m4.05.025%滾筒寬度/m3.04.033%最大靜張力/kN25035040%最大靜張力差/kN290最大速度/ms-16.948.6725%提升高度/m1500175316.8%提升不同吊桶提升能力（1）提升系統(tǒng)——提升機(jī)高壓變頻控制——NT型提升機(jī)網(wǎng)絡(luò)化集散控制系統(tǒng)——四象限帶回饋制動高壓變頻器控制

變頻控制系統(tǒng)

提升機(jī)授權(quán)國家發(fā)明專利2項(xiàng)性能指標(biāo)傳統(tǒng)新型控制方式PLC交流控制網(wǎng)絡(luò)化集散控制啟動方式電阻啟動，啟動電流大軟啟動運(yùn)行速度變速震動無極變速，平穩(wěn)安全性過卷，過放多重保護(hù)能耗耗能大25%震動噪音大小自動化程度低高維護(hù)工作量高低提升機(jī)變頻調(diào)控建井界首次應(yīng)用（1）提升系統(tǒng)——高速大吊桶穩(wěn)控吊桶橫向擺動分析吊桶高速擺動分析模型吊桶質(zhì)量/t激勵/cm預(yù)緊力/t速度/ms-1最大位移/cm11557.51151013.611105611101011.28.51554.98.515109.38.511054.58.5110108.7155537.515510681510530151010568.555524.58.5551046.58.5510522.58.55101043.5吊桶橫向擺動檢測（1）提升系統(tǒng)——高速大吊桶穩(wěn)控扭轉(zhuǎn)測量張力測試（1）提升系統(tǒng)——高速大吊桶穩(wěn)控吊桶防墜裝置授權(quán)國家發(fā)明和實(shí)用新型專利6項(xiàng)防墜吊桶結(jié)構(gòu)示意吊桶防墜滑架結(jié)構(gòu)示意（2）懸吊系統(tǒng)——大直徑變徑吊盤授權(quán)國家實(shí)用新型專利1項(xiàng)——增加變徑結(jié)構(gòu)——設(shè)計(jì)方形喇叭口——可重復(fù)易連接立柱——多種穩(wěn)控裝置適于多層井壁便于機(jī)械上下便于重復(fù)利用移動穩(wěn)定可靠性能指標(biāo)傳統(tǒng)新型效果適應(yīng)荒徑/m6.0-9.09.0-15.050~67%承載/kN200-400400-60050~100%層數(shù)/層2-3多層更安全變徑范圍/m-1.0-4.0更靈活喇叭口/m1.8-2.0圓形2.63.0方形更方便（2）懸吊系統(tǒng)——大直徑吊盤穩(wěn)控裝置自動張緊平衡調(diào)控裝置吊盤柔性穩(wěn)控裝置絲桿、彈簧、插銷調(diào)節(jié)導(dǎo)向授權(quán)國家發(fā)明和實(shí)用新型專利3項(xiàng)性能指標(biāo)傳統(tǒng)穩(wěn)控新型穩(wěn)控控制裝置千斤頂、絲杠、木剎等絲桿、彈簧、插銷控制方式硬性調(diào)節(jié)柔性調(diào)節(jié)控制效果彎曲變形頻繁更換人工操作安裝簡單重復(fù)使用自動調(diào)節(jié)多臺穩(wěn)車自動調(diào)平歷史狀態(tài)自動記錄吊盤位置實(shí)時顯示——基準(zhǔn)穩(wěn)車行程控制——矢量控制變頻系統(tǒng)——變頻工頻旁路互換（2）懸吊系統(tǒng)——吊盤穩(wěn)車群集控系統(tǒng)授權(quán)國家實(shí)用新型專利1項(xiàng)性能指標(biāo)傳統(tǒng)新型效果控制穩(wěn)車最多數(shù)/個414250%調(diào)整時間比10.820%能源消耗比10.820%吊盤穩(wěn)定受力不勻升降不穩(wěn)傾斜碰壁易被拉壞行程控制自動調(diào)平變頻調(diào)速減少沖擊更穩(wěn)定更可靠——優(yōu)化驅(qū)動動力：YSJZ4.8型液壓傘鉆——擴(kuò)展工作范圍：XFJD6.11S型雙聯(lián)傘鉆——加大鑿巖深度：5.5m大行程傘鉆（3）掘砌系統(tǒng)——新型系列傘鉆

大行程傘鉆雙聯(lián)傘鉆液壓傘鉆（3）掘砌系統(tǒng)——新型系列傘鉆

性能指標(biāo)氣動傘鉆液壓傘鉆效果驅(qū)動壓力比11010倍能耗比10.3366%轉(zhuǎn)速/mmin-10.5-0.90.8-1.560%轉(zhuǎn)速壓力調(diào)節(jié)恒定可調(diào)成本比10.730%噪音/dB906050%性能指標(biāo)液壓傘鉆雙聯(lián)傘鉆工作直徑/m8.614.670%性能指標(biāo)液壓傘鉆大行程傘鉆最大行程/m3.0-4.25.555~63%授權(quán)國家發(fā)明專利1項(xiàng)抓巖機(jī)抓斗（3）掘砌系統(tǒng)——新型全液壓中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)

授權(quán)國家發(fā)明和實(shí)用新型專利2項(xiàng)動力：由氣動改電液增大容積減小體積降低重量性能指標(biāo)傳統(tǒng)新型效果動力形式氣動液壓節(jié)能、減排高效、環(huán)保動力/KW1206050%抓斗/m30.61.040%設(shè)備體積比10.2575%設(shè)備重量比10.6535%噪音/dB906033%（3）掘砌系統(tǒng)——大直徑可調(diào)節(jié)段高整體模板

受力分析模板結(jié)構(gòu)——縱向：高度可調(diào)——切向：圓度可調(diào)性能指標(biāo)傳統(tǒng)模板新型模板效果直徑/m5-88-1250~60%高度/m2.5-3.64.533~80%段高調(diào)節(jié)固定1.6+2.9m可調(diào)可調(diào)節(jié)圓度調(diào)節(jié)無法調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)方式液壓千斤頂液壓油缸更可靠穩(wěn)定性（懸吊點(diǎn)數(shù)）6833%更可靠授權(quán)國家發(fā)明專利1項(xiàng)（4）安裝系統(tǒng)——新型六層安裝吊盤盤面布置示意縱剖面示意授權(quán)國家實(shí)用新型專利1項(xiàng)——多層功能分區(qū)——一次安裝協(xié)同現(xiàn)場地面安裝性能指標(biāo)傳統(tǒng)新型效果層數(shù)/層2-3650~60%重復(fù)/次2~3133~80%安裝時間/1/3安裝質(zhì)量多次安裝影響垂直度等指標(biāo)一次安裝更好安全性無保護(hù)盤有保護(hù)盤更安全（4）安裝系統(tǒng)——內(nèi)壁施工雙層輔助吊盤

立面布置——采用剛性連接——增加保護(hù)吊盤

雙層輔助吊盤作業(yè)性能指標(biāo)傳統(tǒng)吊盤新吊盤效果層數(shù)/層1-22方便連接方式柔性剛性穩(wěn)定保護(hù)盤無有安全安全室無有安全安全性易翻盤穩(wěn)定杜絕翻盤2012年9月6日，甘肅某礦采用傳統(tǒng)輔助吊盤，發(fā)生翻盤